JP4411441B2 - 三次元形状計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、白色光源から被計測物までの光路長を走査し、この光路長が白色光源から参照鏡までの光路長に等しくなる位置を検出して、被計測物の三次元形状を計測する三次元形状計測装置（白色干渉計測装置）に関する。

近年、微細加工技術の進歩により、いわゆるマイクロマシーンやＬＳＩなどの高集積化が進み、複雑な段差形状を有する微細構造物の三次元形状計測の高精度化が望まれている。そして、複雑な段差形状を有する微細構造物の三次元形状計測を行う装置として、広帯域スペクトルをもつ光源（白色光源）を用いた白色干渉計測装置が提案されている。

この白色干渉計測装置においては、白色光源から被計測物に至りこの被計測物によって反射された戻り光と、白色光源から参照鏡に至りこの参照鏡によって反射された戻り光とを干渉させ、白色干渉縞を得る。そして、白色光源から被計測物までの光路長を、ピエゾ素子などを用いて走査することにより、白色干渉縞の振幅が最大となる位置、すなわち、白色光源から被計測物までの光路長が白色光源から参照鏡までの光路長に等しくなる位置を検出して、被計測物の三次元形状を計測する。

また、このような白色干渉計測装置は、微細構造物の三次元形状計測のみならず、誘電体多層膜の膜厚測定や、例えば眼底や皮膚等の連続体（拡散体）の構造解析等にも使用される。

このような白色干渉計測装置においては、白色干渉縞の振幅が最大となる位置を精密に特定することが重要となる。白色干渉縞の振幅が最大となる位置を特定する方法として、従来より提案されている方法としては、大別して以下の２つの方法がある。

一つは、フーリエ変換法を用いて、信号領域で干渉縞の振幅の包絡線間の幅が最大となる位置を求める方法である。そして、もう一つは、スペクトル領域でのフーリエ分光スペクトルの位相勾配を用いて、白色干渉縞の振幅が最大となる位置を演算する方法である。一般に、通信理論では、信号の振幅情報よりも位相情報のほうが、検出器の非線形特性や量子化ノイズに強いことが知られている。これは、白色干渉縞の場合、振幅情報ではなく位相情報を用いることにより、白色干渉縞の振幅が最大となる位置を特定する精度を向上させることができることを意味している。

また、特許文献１には、複数の波長の干渉光それぞれにより得られた被計測物の干渉縞データに基づいて、各波長の干渉光に応じた干渉縞データ毎の位相情報を抽出し、この位相情報を用いて、干渉縞データ毎に正弦波関数を作成し、被計測物の測定領域内の所定の座標位置において、干渉縞データが最大値となるように、それぞれの干渉縞データについて正弦波関数の位相を決定することにより、０次の縞位置を特定する方法が記載されている。
特開２０００−２６６５０８号公報

ところで、前述のような、干渉縞の振幅の包絡線を用いる方法においては、包絡線の描く曲線は、振幅の頂点位置では変化がなだらかであるため、計測ノイズなどによる頂点付近における包絡線の微小変化によって、大きな計測誤差が生じてしまうという問題がある。

また、前述したように、フーリエ分光スペクトルの位相勾配を用いる方法においては、位相勾配の推定のために最小二乗法などの演算を行うため、計算量が膨大なものになってしまい、演算に長時間を要することとなってしまう。また、この方法においては、光源のスペクトル幅が狭い場合には、利用できる位相情報の量が減るため、白色干渉縞の振幅が最大となる位置を特定する精度が低下するという問題がある。

また、特許文献１に記載された技術においては、位相情報を用いて干渉縞データ毎に正弦波関数を作成するときに、採用するデータ（標本点）間の挿間を行うことなるため、このような挿間において生ずる誤差に起因して、白色干渉縞の振幅が最大となる位置を特定する精度が低下するという問題がある。

そこで、本発明は、前述の実情に鑑みて提案されるものであって、本発明の目的は、白色干渉縞を用いて被計測物の三次元形状を計測する三次元形状計測装置（白色干渉計測装置）において、演算に要する処理時間を短縮化しつつ、白色干渉縞の振幅が最大となる位置を高精度で特定することができるようになされた三次元形状計測方法及び三次元形状計測装置を提供することにある。

前述の課題を解決し、前記目的を達成するため、本発明の第１のアスペクトに係る三次元形状計測方法は、広帯域スペクトルをもつ照明光を発生する光源（１）から被計測物（７）までの光路長、または、光源（１）から参照鏡（６）までの光路長を変化させ、これら光路長が等しくなる位置を検出することによって当該被計測物（７）の三次元形状を計測する三次元形状計測方法において、参照鏡（６）からの照明光の戻り光と被計測物（７）からの照明光の戻り光との干渉によって生ずる白色干渉縞の振幅の包絡線が最大値を示す位置を含む概略位置を求める段階と、白色干渉縞に含まれる少なくとも二以上の互いに異なる分光スペクトル帯域成分の干渉縞を抽出する段階と、概略位置の近傍において互いに異なる分光スペクトル帯域成分の干渉縞の位相が互いに等しい値をとる位置を求めることによって光源から被計測物までの光路長が光源から参照鏡までの光路長に等しくなる位置を決定する段階とを含むことを特徴とするものである。

この三次元形状計測方法においては、従来の三次元形状計測方法のように白黒の１種類の縞情報だけを用いるのではなく、例えば、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）などのスペクトルに分解した干渉縞の位相情報を用いることにより、白色干渉縞の振幅が最大となる位置を高精度で特定することができる。

また、三次元形状計測方法においては、最小二乗法を用いることなどに伴う計算量の増加といった問題もなく、さらに、光源の分光スペクトル幅が狭く利用できる情報量が減少しても、他の成分との関係を用いるため、高い特定精度を維持することができる。

本発明の第２のアスペクトに係る三次元形状計測装置は、広帯域スペクトルをもつ照明光を発生する光源（１）から被計測物（７）までの光路長を走査し、または、光源（１）から参照鏡（６）までの光路長を走査し、これら光路長が互いに等しくなる位置を検出して被計測物（７）の三次元形状を計測する白色干渉を用いた三次元形状計測装置であって、参照鏡（６）からの照明光の戻り光と被計測物（７）からの照明光の戻り光との干渉によって生ずる白色干渉縞について縞解析法を用いてこの白色干渉縞の振幅の包絡線分布を求め、この包絡線分布を用いて白色干渉縞のコントラストが最大となるおおよその位置を求めておき、白色干渉縞に含まれる少なくとも二以上の互いに異なる分光スペクトル帯域成分の干渉縞を抽出し、白色干渉縞のコントラストが最大となるおおよその位置の近傍において互いに異なる分光スペクトル帯域成分の干渉縞の位相が互いに等しい値をとる位置を求め、この位置に基づいて白色光源から被計測物までの光路長が白色光源から参照鏡までの光路長に等しくなる位置を決定することを特徴とするものである。

この三次元形状計測装置においては、従来の三次元形状計測装置のように白黒の１種類の縞情報だけを用いるのではなく、例えば、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）などのスペクトルに分解した干渉縞の位相情報を用いることにより、白色干渉縞の振幅が最大となる位置を高精度で特定することができる。

また、本発明に係る三次元形状計測装置においては、最小二乗法を用いることなどに伴う計算量の増加といった問題もなく、さらに、光源の分光スペクトル幅が狭く利用できる情報量が減少しても、他の成分との関係を用いるため、高い特定精度を維持することができる。

本発明の第３のアスペクトに係る三次元形状計測装置は、広帯域スペクトルをもつ照明光を発生する光源（１）とこの光源（１）から出力された照明光が参照鏡（６）及び被計測物（７）に到達する光路を形成する光路形成手段（５）と光源（１）から被計測物（７）までの光路長、または、光源（１）から参照鏡（６）までの光路長を変化させる光路長変化手段（８）と各光路長が互いに等しくなる位置を検出する検出手段とを含み被計測物（７）の三次元形状を計測する三次元形状計測装置において、照明光の参照鏡（６）からの反射光である第１の戻り光及び照明光の被計測物（７）からの反射光である第２の戻り光が入射される撮像手段（１０）と、撮像手段（１０）から出力される撮像信号に基づいて第１の戻り光と第２の戻り光との干渉によって生ずる白色干渉縞の振幅の包絡線が最大値を示す位置を含む概略位置を決定する概略位置決定手段（１３）と、白色干渉縞に含まれる少なくとも二以上の互いに異なる分光スペクトル帯域成分の概略位置近傍における干渉縞の位相を算出する位相算出手段（１５）と、位相算出手段（１５）によって得られた互いに異なる分光スペクトル帯域成分の干渉縞の位相が互いに等しい値をとる位置を求めることによって被計測物の表面の変位量を算出する変位算出手段（１６）とを含むことを特徴とするものである。

前記三次元形状計測装置の概略位置決定手段（１３）は、白色干渉縞の光強度について光路長変化手段（８）による光路長の変化についての一定間隔でサンプリングを行うとともに、第１のサンプリング値より連続した一定個数のサンプリング値についての標準偏差を算出した後、第２のサンプリング値より連続した一定個数のサンプリング値についての標準偏差を算出し、以後、順次標準偏差の算出を行って、この標準偏差が最大となるサンプリング値の組を含む範囲を、白色干渉縞の振幅の包絡線が最大値を示す位置を含む概略位置として決定するようにしても良い。

また前記三次元形状計測装置の概略位置決定手段（１３）は、白色干渉縞の光強度について光路長変化手段（８）による光路長の変化についての一定間隔でサンプリングを行い、第１のサンプリング値より連続した一定個数ｍのサンプリング値についての標準偏差を算出した後、第〔ｍ＋１〕のサンプリング値より連続した一定個数ｍのサンプリング値についての標準偏差を算出し、次に、第〔２ｍ＋１〕のサンプリング値より連続した一定個数ｍのサンプリング値についての標準偏差を算出し、以後、順次標準偏差の算出を行って、この標準偏差が最大となるサンプリング値の組及び隣接するサンプリング値の組を含む範囲内において、第１番目のサンプリング値より連続した一定個数ｍのサンプリング値についての標準偏差を算出した後、第〔ｍ／２＋１〕番目のサンプリング値より連続した一定個数ｍのサンプリング値についての標準偏差を算出し、次に、第〔２ｍ／２＋１〕番目のサンプリング値より連続した一定個数ｍのサンプリング値についての標準偏差を算出し、以後、順次標準偏差の算出を行って、この標準偏差が最大となるサンプリング値の組を含む範囲を、白色干渉縞の振幅の包絡線が最大値を示す位置を含む概略位置として決定するようにしても良い。

また前記三次元形状計測装置の概略位置決定手段（１３）は、白色干渉縞の光強度について光路長変化手段（８）による光路長の変化についての一定間隔でサンプリングを行うとともに、第１のサンプリング値より連続した一定個数ｍの範囲における最初のサンプリング値と最後のサンプリング値についての差分の絶対値を算出した後、第〔ｍ＋１〕のサンプリング値より連続した一定個数ｍの範囲における最初のサンプリング値と最後のサンプリング値についての差分の絶対値を算出し、次に、第〔２ｍ＋１〕のサンプリング値より連続した一定個数ｍの範囲における最初のサンプリング値と最後のサンプリング値についての差分の絶対値を算出し、以後、順次差分の絶対値の算出を行って、この差分の絶対値が最大となるサンプリング値の組を含む範囲を、白色干渉縞の振幅の包絡線が最大値を示す位置を含む概略位置として決定するようにしても良い。

また前記三次元形状計測装置の撮像手段（１０）は、カラーカメラであって、互いに異なる分光スペクトル帯域成分ごとに撮像信号を出力するようにしても良い。

また前記三次元形状計測装置の撮像手段（１０）は、モノクロカメラであり、モノクロカメラから出力される撮像信号を互いに異なる分光スペクトル帯域成分に分配する分光スペクトル帯域成分分配手段を備えても良い。

図１は、本発明に係る三次元形状計測装置の第１の実施の形態における全体構成を示す側面図である。 図２は、前記三次元形状計測装置の第１の実施の形態において得られる各分光帯域の干渉縞信号Ｉ_Ｒ（ｚ）、Ｉ_Ｇ（ｚ）、Ｉ_Ｂ（ｚ）を示すグラフである。 図３は、前記三次元形状計測装置の第１の実施の形態において得られる各分光帯域の干渉縞信号Ｉ_Ｒ（ｚ）、Ｉ_Ｇ（ｚ）、Ｉ_Ｂ（ｚ））の縞コントラストの高い領域の一部を拡大したものを重ね合わせて示すグラフである。 図４は、前記三次元形状計測装置の第１の実施の形態において、白色干渉縞の振幅の包絡線及び３つの干渉縞信号Ｉ_Ｒ（ｚ）、Ｉ_Ｇ（ｚ）、Ｉ_Ｂ（ｚ）の位相を求めるための手順を示すグラフである。 図５は、前記三次元形状計測装置の第１の実施の形態において、白色干渉縞の振幅の包絡線及び３つの干渉縞信号Ｉ_Ｒ（ｚ）、Ｉ_Ｇ（ｚ）、Ｉ_Ｂ（ｚ）の位相を求めるための手順を示すフローチャートである。 図６は、前記三次元形状計測装置の第１の実施の形態において、各干渉縞信号Ｉ_Ｒ（ｚ）、Ｉ_Ｇ（ｚ）、Ｉ_Ｂ（ｚ）ごとに得られた位相を重ねて表示したグラフである。 図７は、前記三次元形状計測装置の第１の実施の形態において求められた高さ情報ｈを３次元座標上に示したグラフである。 図８は、前記三次元形状計測装置の第２の実施の形態における全体構成を示すブロック図である。 図９は、前記三次元形状計測装置の第２の実施の形態における概略位置決定手段の動作を説明するグラフである。 図１０は、前記三次元形状計測装置の第２の実施の形態における概略位置決定手段の動作を説明するフローチャートである。 図１１は、前記三次元形状計測装置の第３の実施の形態における概略位置決定手段の動作を説明するグラフである。 図１２は、前記三次元形状計測装置の第３の実施の形態における概略位置決定手段の動作を説明するフローチャートである。 図１３は、前記三次元形状計測装置の第４の実施の形態における概略位置決定手段の動作を説明するグラフである。 図１４は、前記三次元形状計測装置の第４の実施の形態における概略位置決定手段の動作を説明するフローチャートである。 図１５は、前記三次元形状計測装置の第５の実施の形態における全体構成を示すブロック図である。

以下、本発明に係る三次元形状計測方法及び三次元形状計測装置の最良の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

〔第１の実施の形態〕
本発明に係る三次元形状計測方法は、広帯域スペクトルをもつ照明光を発生する光源から被計測物までの光路長、または、光源から参照鏡までの光路長を変化させ、これら光路長が等しくなる位置を検出することによって当該被計測物の三次元形状を計測する三次元形状計測方法であって、以下に述べる本発明に係る三次元形状計測装置において実行される方法である。

図１は、本発明に係る三次元形状計測装置の第１の実施の形態における全体構成を示す側面図である。

本発明に係る三次元形状計測装置は、白色光源等のように広帯域スペクトルをもつ照明光を発生する光源から被計測物までの光路長を走査し、または、光源から参照鏡までの光路長を走査し、これら光路長が互いに等しくなる位置を検出して、被計測物の三次元形状を計測する白色干渉を用いた三次元形状計測装置である。

この実施の形態においては、この三次元形状計測装置を、図１に示すように、マイケルソン干渉計を用いて構成しているが、本発明に係る三次元形状計測装置は、このような干渉計の構成に限定されず、例えば、ミロウ干渉計や、その他の構成を有する干渉計を用いて構成することができる。

この三次元形状計測装置においては、図１に示すように、ハロゲンランプ、キセノンランプ、水銀ランプ、メタルハライドランプ、ＳＬＤ（スーパールミネッセンスダイオード）、または、ＬＥＤ（発光ダイオード）等の白色光源１から出射された照明光は、集光レンズ２によって収束光束となされ、ハーフミラー３により反射され、対物レンズ４によって平行光束となされて、光路形成手段となるビームスプリッタ５に入射される。このビームスプリッタ５に入射された光束は、このビームスプリッタ５により、二分割される。

ビームスプリッタ５により二分割された光束の一方は、参照鏡６に入射し、この参照鏡６により反射される。そして、ビームスプリッタ５により二分割された光束の他方は、被計測物体７に入射し、この被計測物体７により反射される。この被計測物体７は、ピエゾ素子８等により、光軸方向に移動操作可能となされている。これら参照鏡６により反射された照明光の戻り光及び被計測物体７により反射された照明光の戻り光は、それぞれが再びビームスプリッタ５に入射し、このビームスプリッタ５において重ね合わされる。

なお、被計測物体７は、金属その他の反射体や、眼底や皮膚等の連続体（拡散体）のいずれでもよく、また、膜厚測定を行う対象として誘電体多層膜等であってもよい。

ビームスプリッタ５において重ね合わされた光束は、対物レンズ４を経てハーフミラー３を透過し、リレーレンズ９によって平行光束となされて、カラーカメラ１０に入射される。

以上は鏡面状の物体表面から正反射された光について述べたものであるが、物体の表面上の構造により回折、または、散乱された光については、図１中に破線で示すように、対物レンズ４とリレーレンズ９とにより、カラーカメラ１０のイメージセンサ上に結像される。

このカラーカメラ１０は、干渉縞の測定のために、例えば、Ｒ（赤色成分）（以下Ｒという。）、Ｇ（緑色成分）（以下Ｇという。）及びＢ（青色成分）（以下Ｂという。）の３色分解機能を有するカメラである。すなわち、このカラーカメラ１０は、入射した白色光について、着色フィルタやダイクロイックミラー等の分光透過特性を有する光学素子や、これらを組み合わせた色分解プリズムを介して受光することにより、３色分解機能を備えている。このカラーカメラ１０においては、入射された光束について、Ｒ、Ｇ及びＢの各成分ごとに独立して、干渉縞が記録される。これらＲ、Ｇ及びＢの各成分は、ある程度の波長幅（帯域）を有している。

なお、このカラーカメラ１０は、白色干渉縞に含まれる少なくとも二以上の互いに異なる分光スペクトル帯域成分の干渉縞を抽出することができればよく、これら分光スペクトル帯域成分は、必ずしもＲ，Ｇ及びＢに限定されるわけではない。

そして、この三次元形状計測装置においては、光源１から被計測物体５までの光路長及び光源１から参照鏡６までの光路長が互いに等しくなる位置、すなわち、光路差が０となる位置を検出するため、ピエゾ素子８を用いて、被計測物体７（または、参照鏡６）を光軸方向に走査することにより、これら光路差を相対的に変化させながら、複数の干渉縞を記録してゆく。

このようにして得られた白色干渉縞の各色成分（各分光成分）の干渉縞信号を、Ｒ、Ｇ及びＢの順番にＩ_Ｒ（ｚ）、Ｉ_Ｇ（ｚ）及びＩ_Ｂ（ｚ）で表すと、これらＩ_Ｒ（ｚ）、Ｉ_Ｇ（ｚ）及びＩ_Ｂ（ｚ）は、以下の式（１）乃至式（３）のように表すことができる。

Ｉ_Ｒ（ｚ）＝ａ_Ｒ＋｜Ｓ_Ｒ（ｚ−ｈ）｜×ｃｏｓ｛ｋ_Ｒ（ｚ−ｈ）｝ ・・・・（式１）
Ｉ_Ｇ（ｚ）＝ａ_Ｇ＋｜Ｓ_Ｇ（ｚ−ｈ）｜×ｃｏｓ｛ｋ_Ｇ（ｚ−ｈ）｝ ・・・・（式２）
Ｉ_Ｂ（ｚ）＝ａ_Ｂ＋｜Ｓ_Ｂ（ｚ−ｈ）｜×ｃｏｓ｛ｋ_Ｂ（ｚ−ｈ）｝ ・・・・（式３）
これら式（１）乃至式（３）において、ａ_ｉは、白色干渉縞の直流成分であり、第二項は、振動振幅を与える包絡線を表す｜Ｓ_ｉ｜と各色成分の中心波数ｋ_ｉで振動する正弦波との積になっている。また、ｚは、被計測物体７、または、参照鏡６の走査距離、ｈは、被計測物体７の高さである。

図２は、各分光帯域の干渉縞信号Ｉ_Ｒ（ｚ）、Ｉ_Ｇ（ｚ）、Ｉ_Ｂ（ｚ）を示すグラフである。

また、図３は、各分光帯域の干渉縞信号Ｉ_Ｒ（ｚ）、Ｉ_Ｇ（ｚ）、Ｉ_Ｂ（ｚ）の縞コントラストの高い領域の一部を拡大したものを重ね合わせて示すグラフである。

これら３つの干渉縞信号Ｉ_Ｒ（ｚ）、Ｉ_Ｇ（ｚ）、Ｉ_Ｂ（ｚ）は、図２に示すように、それぞれの分光帯域の中心波長で決まる異なった波数で振動している。それぞれの干渉縞信号Ｉ_Ｒ（ｚ）、Ｉ_Ｇ（ｚ）、Ｉ_Ｂ（ｚ）においては、走査距離ｚと被計測物体７の高さｈとが等しいときに光路差が０となり、振幅が最大となり、コントラストが最大となる。すなわち、これら干渉縞信号Ｉ_Ｒ（ｚ）、Ｉ_Ｇ（ｚ）、Ｉ_Ｂ（ｚ）の振幅が最大となる位置は互いに等しい。したがって、このとき、図３に示すように、これら干渉縞信号Ｉ_Ｒ（ｚ）、Ｉ_Ｇ（ｚ）、Ｉ_Ｂ（ｚ）が重畳されたものである白色光干渉縞のコントラストも最大値をとる。

したがって、白色干渉縞のコントラストが最大となる走査距離ｚを高精度に求めることができれば、高さ情報ｈを得ることができるが、前述したように、白色干渉縞の振幅の包絡線によっては、そのような走査距離２を高精度に求めることができない。

そこで、この三次元形状計測装置においては、白色干渉縞の振幅の包絡線を、白色干渉縞のコントラストが最大となるおよその位置を粗く推定するために用いる。そして、粗く推定された範囲内において、さらに、３つの干渉縞信号Ｉ_Ｒ（ｚ）、Ｉ_Ｇ（ｚ）、Ｉ_Ｂ（ｚ）の位相情報を利用して、白色干渉縞が最大コントラストとなる位置を、より精密に決定する。この三次元形状計測装置においては、このような２段階の方法を採ることにより、白色干渉縞が最大コントラストとなる位置を、高精度、かつ、高分解能に計測することができる。

図４は、白色干渉縞の振幅の包絡線及び３つの干渉縞信号Ｉ_Ｒ（ｚ）、Ｉ_Ｇ（ｚ）、Ｉ_Ｂ（ｚ）の位相を求めるための手順を示すグラフである。

また、図５は、白色干渉縞の振幅の包絡線及び３つの干渉縞信号Ｉ_Ｒ（ｚ）、Ｉ_Ｇ（ｚ）、Ｉ_Ｂ（ｚ）の位相を求めるための手順を示すフローチャートである。

すなわち、この三次元形状計測装置においては、図５のステップｓｔ１に示すように、３つの干渉縞信号Ｉ_Ｒ（ｚ）、Ｉ_Ｇ（ｚ）、Ｉ_Ｂ（ｚ）が得られたならば、まず、以下の（式４）を用いて、図４中の（ａ）に示すように、得られた干渉縞信号Ｉ_Ｒ（ｚ）、Ｉ_Ｇ（ｚ）、Ｉ_Ｂ（ｚ）をそれぞれフーリエ変換し、Ｉ´（ω）とする（図５のステップｓｔ２）。

Ｉ´（ω）＝Ｆ〔Ｉ（ｚ）〕＝Ａ（ω）＋（Ｓ´（ω−ｋ_０）ｅ^−ｉｈω）／２＋（Ｓ´^＊〔−（ω＋ｋ_０）〕ｅ^−ｉｈω）／２
・・・・（式４）
（∵Ａ（ω）、Ｓ´（ω）は、それぞれ、ａ、Ｓのフーリエ変換）
次に、図４中の（ｂ）に示すように、直流項を除く正の周波数スペクトルのみをフィルタリングにより取り出す（図５のステップｓｔ３）。そして、フーリエ逆変換を行う（図５のステップｓｔ４）。

そして、以下の（式５）を用いて、図４中の（ｃ）に示すように、フーリエ逆変換した信号の振幅の絶対値をとることによって、各干渉縞信号Ｉ_Ｒ（ｚ）、Ｉ_Ｇ（ｚ）、Ｉ_Ｂ（ｚ）の振幅の包絡線

を求めることができる（図５のステップｓｔ５）。

また、図５のステップｓｔ４においてフーリエ逆変換した信号からは、以下の（式６）を用いて、図４中の（ｄ）に示すように、各干渉縞信号Ｉ_Ｒ（ｚ）、Ｉ_Ｇ（ｚ）、Ｉ_Ｂ（ｚ）の位相θを求める（図５のステップｓｔ６）。

このような手順により、Ｒ、Ｇ及びＢ各色成分ごとに、干渉縞の振幅の包絡線と位相とがそれぞれ求められる。ここで、これら干渉縞信号Ｉ_Ｒ（ｚ）、Ｉ_Ｇ（ｚ）、Ｉ_Ｂ（ｚ）のひとつまたはそれらが重畳されたものである白色干渉縞の振幅の包絡線を用いて、白色干渉縞のコントラストが最大となるおよその位置を粗く推定する（図５のステップｓｔ７）
図６は、各干渉縞信号Ｉ_Ｒ（ｚ）、Ｉ_Ｇ（ｚ）、Ｉ_Ｂ（ｚ）ごとに得られた位相を重ねて表示したグラフである。

図６に示すように、各干渉縞信号Ｉ_Ｒ（ｚ）、Ｉ_Ｇ（ｚ）、Ｉ_Ｂ（ｚ）の位相は、それぞれが異なった値を持っている。しかし、白色干渉縞のコントラストが最大となる位置では、これら各信号の位相は、互いに等しい値となる。これは、前述の（式１）乃至（式３）からもわかるように、被計測物体７、または、参照鏡６の走査距離（ｚ）が、被計測物体７の高さ（ｈ）に等しい（ｚ＝ｈ）ときである。

すなわち、図５のステップｓｔ７において粗く推定された白色干渉縞のコントラストが最大となるおよその位置において、各干渉縞信号Ｉ_Ｒ（ｚ）、Ｉ_Ｇ（ｚ）、Ｉ_Ｂ（ｚ）の位相が互いに等しい値となる位置を検出し、被計測物体７の高さ（ｈ）を求める（図５のステップｓｔ８）。

この三次元形状計測装置においては、以上のように、あらかじめ包絡線を用いて白色干渉縞の振幅が最大となる位置を概略的に求めておき、この位置の近傍において、各色の干渉縞信号の位相値が互いに等しくなる点を求めている。これにより、高さ情報ｈを高精度、かつ、高分解能で求めることができる。

図７は、この三次元形状計測装置において求められた高さ情報ｈを３次元座標上に示したグラフである。

以上の説明は、例えば、図７に示すように、Ｘ，Ｙ方向における２００μｍ角の一マス分の処理であり、全てのマスに対して同様の処理を行って求められた高さ情報ｈを３次元座標上に示すことにより、図７に示すように、被計測物体７の形状を表すことができる。なお、この一マスの処理の大きさは、任意に設定することができる。

ところで、この三次元形状計測装置において、包絡線を用いて白色干渉縞の振幅が最大となる位置としてあらかじめ概略的に求めた範囲内において、各色の干渉縞信号の位相値が互いに等しくなる点が複数存在すると、いずれの点が正しい高さ情報ｈを示す点なのかが不明となる。レーザを用いた２波長干渉計測などでよく知られているように、２つの分光帯域の中心波長がλ_Ｇとλ_Ｒの場合には、２色の干渉縞信号の位相値が等しくなる点が合成波長Λ_ＲＧ（∵Λ_ＲＧ＝λ_Ｒλ_Ｇ／（λ_Ｒ−λ_Ｇ））の間隔で繰り返されることになる。しかし、この三次元形状計測装置においては、コヒーレンス長の短い広帯域光を用いているために、白色干渉縞の存在する範囲がこの周期より小さい範囲に限定されるために、白色縞のコントラストが最大となる付近において２色の光の位相値が合致する点が複数含まれることはない。

以上は、空気中での鏡面物体の計測のように、物体や伝播媒質の波長分散が無視できる場合を例にして原理を説明した。一方、ガラスや生体組織や薄膜などのように、波長分散をもち、反射、散乱の際における位相変化の波長依存性が無視できない場合には、例えば、ＲとＧの組み合わせにおいて位相値の合致する点と、ＲとＢとの組み合わせにおいて位相値の合致する点との間に位置ズレが生じることがある。しかし、媒質または試料が均質でその分散特性が場所に依存しない場合には、波長の組み合わせの違いによる位相値の合致点の位置ズレ量は、観測場所によらず一定になる。したがって、例えば、ＲとＧ、または、ＲとＢの２波長の組み合わせを用いることによる計測結果の違いは、単に、高さ分布に位置ズレ量に相当する一定のバイアスが加わっただけのものであるので、このように、媒質、または、試料が波長分散をもつ場合であっても、三次元形状の計測への影響は生じない。

また、この三次元形状計測装置においては、各干渉縞信号Ｉ_Ｒ（ｚ）、Ｉ_Ｇ（ｚ）、Ｉ_Ｂ（ｚ）の位相情報は、図６に示すように、直線で示される情報なので、採用するデータ（標本点）間の挿間を行っても、このような挿間において生ずる誤差により各干渉縞信号の位相値が互いに等しくなる点を特定する精度が低下することがない。

なお、本発明において、各色の干渉縞信号の位相値が互いに等しくなる点を求めるにあたっては、前述のような手順に限定されるわけではなく、位相シフト法や、その他の公知の位相検出方法を用いてもよい。

〔第２の実施の形態〕
図８は、本発明に係る三次元形状計測装置の第２の実施の形態における全体構成を示すブロック図である。

この実施の形態における三次元形状計測装置は、図８に示すように、白色光源等のように広帯域スペクトルをもつ照明光を発生する光源１と、この光源１から出力された照明光が参照鏡６及び被計測物７に到達する光路を形成する光路形成手段（ビームスプリッタ５）と、光源１から被計測物７までの光路長、または、光源１から参照鏡６までの光路長を変化させる光路長変化手段（ピエゾ素子８）と、各光路長が互いに等しくなる位置を検出する検出手段とを含み、被計測物７の三次元形状を計測する三次元形状計測装置である。

光源１としては、ハロゲンランプ、キセノンランプ、水銀ランプ、メタルハライドランプ、ＳＬＤ（スーパールミネッセンスダイオード）、または、ＬＥＤ（発光ダイオード）等のように、後述するように白色干渉縞の振幅の包絡線が最大値を示す位置を含む概略位置が決定できる程度に、十分な広帯域スペクトルをもつ照明光を発生する光源を使用することができる。

この三次元形状計測装置において、光源１から出力された照明光は、集光レンズ２によって収束光束となされ、ハーフミラー３により反射され、対物レンズ４によって平行光束となされて、光路形成手段となるビームスプリッタ５に入射される。このビームスプリッタ５に入射された光束は、このビームスプリッタ５により、二分割される。

ビームスプリッタ５は、照明光が参照鏡６及び被計測物７に到達する光路を形成する。すなわち、ビームスプリッタ５により二分割された光束の一方は、参照鏡６に入射し、この参照鏡６により反射される。そして、ビームスプリッタ５により二分割された光束の他方は、被計測物体７に入射し、この被計測物体７により反射される。この被計測物体７は、光路長変化手段となるピエゾ素子８により、光軸方向（Ｚ軸方向）に移動操作可能となされている。

これら参照鏡６により反射された照明光の第１の戻り光及び被計測物体７により反射された照明光の第２の戻り光は、それぞれが再びビームスプリッタ５に入射し、このビームスプリッタ５において重ね合わされる。なお、被計測物体７は、金属その他の反射体や、眼底や皮膚等の連続体（拡散体）のいずれでもよく、また、膜厚測定を行う対象として誘電体多層膜等であってもよい。

ビームスプリッタ５において重ね合わされた第１の戻り光及び第２の戻り光は、対物レンズ４を経てハーフミラー３を透過し、リレーレンズ９によって平行光束となされて、撮像手段となるカラーカメラ１０に入射される。この実施の形態において、撮像手段は、前述の実施の形態と同様に、カラーカメラ１０であって、干渉縞の測定のために、例えば、Ｒ（赤色成分）、Ｇ（緑色成分）及びＢ（青色成分）の３色分解機能を有するカメラである。そして、このカラーカメラ１０は、互いに異なる分光スペクトル帯域成分ごとに撮像信号を出力する。

このカラーカメラ１０は、入射した白色光について、着色フィルタやダイクロイックミラー等の分光透過特性を有する光学素子や、これらを組み合わせた色分解プリズムを介して受光することにより、３色分解機能を備えている。このカラーカメラ１０においては、入射された光束について、Ｒ、Ｇ及びＢの各成分ごとに独立して、干渉縞が記録される。これらＲ、Ｇ及びＢの各成分は、ある程度の波長幅（帯域）を有している。

なお、このカラーカメラ１０は、白色干渉縞に含まれる少なくとも二以上の互いに異なる分光スペクトル帯域成分の干渉縞を抽出することができればよく、これら分光スペクトル帯域成分は、必ずしもＲ、Ｇ及びＢに限定されるわけではない。このカラーカメラ１０は、制御部１１によって制御されて動作する。制御部１１としては、例えば、パーソナルコンピュータを用いることができる。

そして、この三次元形状計測装置においては、光源１から被計測物体５までの光路長及び光源１から参照鏡６までの光路長が互いに等しくなる位置、すなわち、これらの光路差が０となる位置を検出するため、ピエゾ素子８を用いて、被計測物体７（または、参照鏡６）を光軸方向に走査することにより、これら光路差を相対的に変化させながら、複数の干渉縞を記録してゆく。ピエゾ素子８は、制御部１１によって制御されて動作する。

そして、この三次元形状計測装置は、光源１から被計測物７までの光路長及び光源１から参照鏡６までの光路長が互いに等しくなる位置を検出する検出手段として、信号処理部を備えている。この信号処理部を構成する各機能ブロックは、制御部１１によって制御されて動作する。

信号処理部においては、カラーカメラ１０から出力された撮像信号は、メモリ１２により記憶され、このメモリ１２より読み出されて、概略位置決定手段１３に送られる。概略位置決定手段１３は、第１の戻り光と第２の戻り光との干渉によって生じた白色干渉縞の光強度を示す信号に基づいて、白色干渉縞の振幅の包絡線が最大値を示す位置を含む概略位置を決定する。

図９は、本発明に係る三次元形状計測装置の第２の実施の形態における概略位置決定手段の動作を説明するグラフである。

この実施の形態において、概略位置決定手段１３は、図９に示すように、第１の戻り光と第２の戻り光との干渉によって生じた白色干渉縞の光強度について、Ｚ軸方向について一定の区間ごとの標準偏差を算出して、白色干渉縞の振幅の包絡線が最大値を示す位置を含む概略位置を決定する。

図１０は、本発明に係る三次元形状計測装置の第２の実施の形態における概略位置決定手段の動作を説明するフローチャートである。

すなわち、概略位置決定手段１３は、図１０に示すように、ステップｓｔ１１において動作を開始し、ステップｓｔ１２に進み、第１の戻り光と第２の戻り光との干渉によって生じた白色干渉縞の光強度についての情報（各点（ｘ，ｙ）における光強度信号）を得る。すなわち、ピエゾ素子８による光路長の変化（Ｚ軸方向の変化）についてについての一定間隔で、光強度のサンプリングを行ってメモリに蓄え、ステップｓｔ１３に進む。

ステップｓｔ１３では、標準偏差を算出すべき最終位置に至っているかを判別し、最終位置に至っていればステップｓｔ１６に進み、最終位置に至っていなければステップｓｔ１４に進む。

ステップｓｔ１４では、第ｎ（∵ｎは自然数で、初期状態においては１）のサンプリング値より、連続した一定個数ｍのサンプリング値についての標準偏差を算出し、ステップｓｔ１５に進む。この標準偏差の算出においては、平方根をとらず、データを整数として扱うことにより、処理の高速化を図ることができる。ステップｓｔ１５では、ｎに１を加え、ステップｓｔ１３に戻る。

ステップｓｔ１３において判別される最終位置とは、光強度のサンプリング値がＮ個であった場合において、第〔Ｎ−ｍ＋１〕番目のサンプリング値より連続した一定個数ｍのサンプリング値についての標準偏差までを算出する状態である。したがって、ステップｓｔ１３乃至ステップｓｔ１５が繰返し実行されることによって、第１のサンプリング値より連続した一定個数ｍのサンプリング値についての標準偏差が算出され、次に、第２のサンプリング値より連続した一定個数ｍのサンプリング値についての標準偏差が算出され、以後、順次標準偏差の算出が行われ、第〔Ｎ−ｍ＋１〕番目のサンプリング値より連続した一定個数ｍのサンプリング値についての標準偏差までが算出される。

そして、ステップｓｔ１３で標準偏差を算出すべき最終位置に至っていることが判別されると、ステップｓｔ１６に進む。ステップｓｔ１６においては、算出された各標準偏差が最大となるサンプリング値の組を含む範囲を、白色干渉縞の振幅の包絡線が最大値を示す位置を含む概略位置として決定し、ステップｓｔ１７に進んで終了する。

そして、図８に示すように、メモリ１２より読み出された撮像信号（Ｒ、Ｇ及びＢ）は、位相算出手段１５に送られる。この位相算出手段１５は、概略位置決定手段１３により決定された概略位置の近傍において、白色干渉縞に含まれる少なくとも二以上の互いに異なる分光スペクトル帯域成分（Ｒ及びＧ、Ｇ及びＢ、または、Ｂ及びＲ）の干渉縞の位相を算出し、変位算出手段１６に送る。すなわち、この位相算出手段１５は、前述した図５におけるステップｓｔ２からステップｓｔ７までの処理を実行する。

変位算出手段１６は、位相算出手段１５によって得られた互いに異なる分光スペクトル帯域成分（Ｒ及びＧ、Ｇ及びＢ、または、Ｂ及びＲ）の干渉縞の位相に基づいて、これら位相が互いに等しい値をとる位置を求める。すなわち、この変位算出手段１６は、前述した図５におけるステップｓｔ８の処理を実行する。そして、これら位相が互いに等しい値となる被計測物７の任意の表面を基準にして、ピエゾ素子８（光路長変化手段）によるＺ軸方向の変化量に基づいて、被計測物７の表面の変位量が求められる。

〔第３の実施の形態〕
図１１は、本発明に係る三次元形状計測装置の第３の実施の形態における概略位置決定手段の動作を説明するグラフである。

本発明に係る三次元形状計測装置における概略位置決定手段１３は、図１１に示すように、第１の戻り光と第２の戻り光との干渉によって生じた白色干渉縞の光強度についてのＺ軸方向について一定の区間ごとの標準偏差の算出を、一定個数ｍずつ移動して算出することにより、前述の第２の実施の形態におけるよりも迅速に、白色干渉縞の振幅の包絡線が最大値を示す位置を含む概略位置を決定することができる。

図１２は、本発明に係る三次元形状計測装置の第３の実施の形態における概略位置決定手段の動作を説明するフローチャートである。

すなわち、概略位置決定手段１３は、図１２に示すように、ステップｓｔ２１において動作を開始し、ステップｓｔ２２に進み、第１の戻り光と第２の戻り光との干渉によって生じた白色干渉縞の光強度についての情報（各点（ｘ，ｙ）における光強度信号）を得る。すなわち、ピエゾ素子８による光路長の変化（Ｚ軸方向の変化）についての一定間隔で、光強度のサンプリングを行ってメモリに蓄え、ステップｓｔ２３に進む。

ステップｓｔ２３では、標準偏差を算出する範囲の移動量Ｋが２以下であるかを判別し、移動量Ｋが２以下であればステップｓｔ２９に進んで終了し、移動量Ｋが２以下でなければステップｓｔ２４に進む。

ステップｓｔ２４では、標準偏差を算出すべき最終位置に至っているかを判別し、最終位置に至っていればステップｓｔ２７に進み、最終位置に至っていなければステップｓｔ２５に進む。

ステップｓｔ２５では、第ｎ（∵ｎは自然数で、初期状態においては１）のサンプリング値より、連続した一定個数ｍのサンプリング値についての標準偏差を算出し、ステップｓｔ２６に進む。この標準偏差の算出においては、平方根をとらず、データを整数として扱うことにより、処理の高速化を図ることができる。ステップｓｔ２６では、ｎに移動量Ｋを加え、ステップｓｔ２４に戻る。移動量Ｋの初期値は、一定個数ｍに等しい。

このステップｓｔ２４において判別される最終位置とは、光強度のサンプリング値がＮ個であった場合において、〔Ｎ／ｍ〕の商の整数部にあたる回数の算出が終了した状態である。したがって、ステップｓｔ２４乃至ステップｓｔ２６が繰返し実行されることによって、第１のサンプリング値より連続した一定個数ｍのサンプリング値についての標準偏差が算出された後、第〔ｍ＋１〕のサンプリング値より連続した一定個数ｍのサンプリング値についての標準偏差が算出され、次に、第〔２ｍ＋１〕のサンプリング値より連続した一定個数ｍのサンプリング値についての標準偏差が算出され、以後、順次標準偏差の算出が行われる。

そして、ステップｓｔ２４で標準偏差を算出すべき最終位置に至っていることが判別されると、ステップｓｔ２７に進む。ステップｓｔ２７においては、算出された各標準偏差が最大となるサンプリング値の組を含む範囲を決定して、ステップｓｔ２８に進む。ステップｓｔ２８では、移動量Ｋを〔Ｋ／２〕とし、ステップｓｔ２３に戻る。このステップｓｔ２３では、移動量Ｋが２以下であるかを判別し、移動量Ｋが２以下であればステップｓｔ２９に進んで終了し、移動量Ｋが２以下でなければステップｓｔ２４に進む。

すなわち、ステップｓｔ２３乃至ステップｓｔ２８が繰返し実行されることによって、標準偏差が最大となるサンプリング値の組及び隣接するサンプリング値の組を含む範囲内において、第１番目のサンプリング値より連続した一定個数ｍのサンプリング値についての標準偏差が算出された後、第〔ｍ／２＋１〕番目のサンプリング値より連続した一定個数ｍのサンプリング値についての標準偏差が算出され、次に、第〔２ｍ／２＋１〕番目のサンプリング値より連続した一定個数ｍのサンプリング値についての標準偏差が算出され、以後、順次標準偏差の算出が行われ、この標準偏差が最大となるサンプリング値の組を含む範囲をが決定される。

さらに、この動作が移動量Ｋが２以下となるまで繰り返された後、ステップｓｔ２９に進んで終了する。ステップｓｔ２９に進む前に最後にステップｓｔ２８が実行されたときに決定された範囲が、白色干渉縞の振幅の包絡線が最大値を示す位置を含む概略位置となる。

〔第４の実施の形態〕
図１３は、本発明に係る三次元形状計測装置の第４の実施の形態における概略位置決定手段の動作を説明するグラフである。

本発明に係る三次元形状計測装置における概略位置決定手段１３は、図１３に示すように、第１の戻り光と第２の戻り光との干渉によって生じた白色干渉縞の光強度について、Ｚ軸方向について一定の区間ごとの差分の絶対値を算出して、白色干渉縞の振幅の包絡線が最大値を示す位置を含む概略位置を決定する。

図１４は、本発明に係る三次元形状計測装置の第４の実施の形態における概略位置決定手段の動作を説明するフローチャートである。

すなわち、概略位置決定手段１３は、図１４に示すように、ステップｓｔ３１において動作を開始し、ステップｓｔ３２に進み、第１の戻り光と第２の戻り光との干渉によって生じた白色干渉縞の光強度についての情報（各点（ｘ，ｙ）における光強度信号）を得る。すなわち、ピエゾ素子８による光路長の変化（Ｚ軸方向の変化）についての一定間隔で、光強度のサンプリングを行ってメモリに蓄え、ステップｓｔ３３に進む。

ステップｓｔ３３では、算出すべき最終位置に至っているかを判別し、最終位置に至っていればステップｓｔ３６に進み、最終位置に至っていなければステップｓｔ３４に進む。

ステップｓｔ３４では、第ｎ（∵ｎは自然数で、初期状態においては１）のサンプリング値より、連続した一定個数ｍの範囲における最初のサンプリング値と最後のサンプリング値についての差分の絶対値〔｜Ｉ（ｚ_ｎ＋ｍ）−Ｉ（ｚ_ｎ）｜〕（∵Ｉ（ｚ_ｎ）が最初のサンプリング値、Ｉ（ｚ_ｎ＋ｍ）が最後のサンプリング値）を算出し、ステップｓｔ３５に進む。ステップｓｔ３５では、ｎに移動量ｍを加え、ステップｓｔ３３に戻る。移動量ｍは、一定個数ｍに等しい。このステップｓｔ３３において判別される最終位置とは、光強度のサンプリング値がＮ個であった場合において、〔Ｎ／ｍ〕の商の整数部にあたる回数の算出が終了した状態である。したがって、ステップｓｔ３３乃至ステップｓｔ３５が繰返し実行されることによって、第１のサンプリング値より連続した一定個数ｍの範囲における最初のサンプリング値と最後のサンプリング値についての差分の絶対値が算出された後、第〔ｍ＋１〕のサンプリング値より連続した一定個数ｍの範囲における最初のサンプリング値と最後のサンプリング値についての差分の絶対値が算出され、次に、第〔２ｍ＋１〕のサンプリング値より連続した一定個数ｍの範囲における最初のサンプリング値と最後のサンプリング値についての差分の絶対値が算出され、以後、順次差分の絶対値の算出が行われる。

そして、ステップｓｔ３３で算出すべき最終位置に至っていることが判別されると、ステップｓｔ３６に進む。ステップｓｔ３６においては、算出された差分の絶対値が最大となるサンプリング値の組を含む範囲を第２位まで決定し、ステップｓｔ３７に進む。ステップｓｔ３７では、差分の絶対値が第１位であった範囲と差分の絶対値が第２位であった範囲との中心位置を求め、これを白色干渉縞の振幅の包絡線が最大値を示す位置を含む概略位置として決定し、ステップｓｔ３８に進んで終了する。

〔第５の実施の形態〕
図１５は、本発明に係る三次元形状計測装置の第５の実施の形態における全体構成を示すブロック図である。

本発明に係る三次元形状計測装置は、撮像手段として前述したようなカラーカメラ１０を有する構成に限定されず、図１５に示すように、カラーカメラ１０に代えてモノクロカメラ１０ａを有する構成としてもよい。この三次元形状計測装置においては、モノクロカメラ１０ａによって得られる白色干渉縞データをフーリエ変換して得られる分光スペクトル分布の一部を選び、周波数フィルタを用いて所定周波数帯域のみのデータを分離させることによって、カラーカメラにおいて色分解を行ったと同様の位相情報を得ることができる。

すなわち、この三次元形状計測装置においては、このモノクロカメラ１０ａから出力される撮像信号は、信号処理部において、メモリ１２により記憶され、このメモリ１２より読み出されて、概略位置決定手段１３に送られる。概略位置決定手段１３は、第１の戻り光と第２の戻り光との干渉によって生じた白色干渉縞の光強度を示す信号に基づいて、白色干渉縞の振幅の包絡線が最大値を示す位置を含む概略位置を決定する。

第１の戻り光と第２の戻り光との干渉によって生じた撮像信号は、分光スペクトル帯域成分分配手段１７に送られる。分光スペクトル帯域成分分配手段１７は、モノクロカメラ１０ａによって得られた撮像信号を前記概略位置の近傍においてフーリエ変換して得られる分光スペクトル分布の一部を選び、周波数フィルタを用いて、所定周波数帯域（λ_１及びλ_２）のみのデータを分離させることによって、異なる分光スペクトル帯域成分を分離する。このようにして、分光スペクトル帯域成分分配手段１７は、モノクロカメラ１０ａから出力された撮像信号より、互いに異なる分光スペクトル帯域成分（λ_１成分及びλ_２成分）に分配して、位相算出手段１５に送る。すなわち、この分光スペクトル帯域成分分配手段１７は、前述した図５におけるステップｓｔ２、ステップｓｔ３の処理を実行する。

位相算出手段１５は、概略位置決定手段１３により決定された概略位置の近傍において、白色干渉縞に含まれる少なくとも二以上の互いに異なる分光スペクトル帯域成分（λ_１成分及びλ_２成分）の干渉縞の位相を算出し、変位算出手段１６に送る。すなわち、この位相算出手段１５は、前述した図５におけるステップｓｔ４からステップｓｔ７までの処理を実行する。

変位算出手段１６は、位相算出手段１５によって得られた互いに異なる分光スペクトル帯域成分（λ_１成分及びλ_２成分）の干渉縞の位相に基づいて、これら位相が互いに等しい値をとる位置を求める。すなわち、この変位算出手段１６は、前述した図５におけるステップｓｔ８の処理を実行する。そして、これら位相が互いに等しい値となる被計測物７の任意の表面を基準にして、ピエゾ素子８（光路長変化手段）によるＺ軸方向の変化量に基づいて、被計測物７の表面の変位量が求められる。

本発明に係る三次元形状計測方法及び三次元形状計測装置においては、白色干渉縞の振幅情報と、例えば、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）及びＢ（青色）などのスペクトルに分解した干渉縞の位相情報とを用いることにより、白色干渉縞の振幅が最大となる位置を高精度、高分解能で特定することができる。

また、本発明に係る三次元形状計測方法及び三次元形状計測装置においては、例えば、従来の分光スペクトル領域の位相勾配を最小二乗法によって推定する方法に比べて、信号処理が簡単であり、演算に要する処理時間を短縮化することができる。

すなわち、本発明は、白色干渉縞を用いて被計測物の三次元形状を計測する三次元形状計測装置（白色干渉計測装置）において、演算に要する処理時間を短縮化しつつ、白色干渉縞の振幅が最大となる位置を高精度で特定することができるようになされた三次元形状計測装置を提供することができるものである。

Claims (14)

1. 広帯域スペクトルをもつ照明光を発生する光源から被計測物までの光路長、または、前記光源から参照鏡までの光路長を変化させ、これら光路長が等しくなる位置を検出することによって、当該被計測物の三次元形状を計測する三次元形状計測方法において、
   前記参照鏡からの前記照明光の戻り光と前記被計測物からの前記照明光の戻り光との干渉によって生ずる白色干渉縞の振幅の包絡線が最大値を示す位置を含む概略位置を求める段階と、
   前記白色干渉縞に含まれる少なくとも二以上の互いに異なる分光スペクトル帯域成分の干渉縞を抽出する段階と、
   前記概略位置の近傍において、前記互いに異なる分光スペクトル帯域成分の干渉縞の位相が互いに等しい値をとる位置を求めることによって、前記光源から前記被計測物までの光路長が前記光源から前記参照鏡までの光路長に等しくなる位置を決定する段階と
   を含むことを特徴とする三次元形状計測方法。
2. 広帯域スペクトルをもつ照明光を発生する光源から被計測物までの光路長を走査し、または、前記光源から参照鏡までの光路長を走査し、これら光路長が互いに等しくなる位置を検出して、前記被計測物の三次元形状を計測する白色干渉を用いた三次元形状計測装置であって、
   前記参照鏡からの前記照明光の戻り光と前記被計測物からの前記照明光の戻り光との干渉によって生ずる白色干渉縞について、縞解析法を用いて、この白色干渉縞の振幅の包絡線分布を求め、
   前記包絡線分布を用いて、白色干渉縞のコントラストが最大となるおおよその位置を求めておき、
   前記白色干渉縞に含まれる少なくとも二以上の互いに異なる分光スペクトル帯域成分の干渉縞を抽出し、
   前記白色干渉縞のコントラストが最大となるおおよその位置の近傍において、前記互いに異なる分光スペクトル帯域成分の干渉縞の位相が互いに等しい値をとる位置を求め、この位置に基づいて、前記光源から前記被計測物までの光路長が前記光源から前記参照鏡までの光路長に等しくなる位置を決定する
   ことを特徴とする三次元形状計測装置。
3. 広帯域スペクトルをもつ照明光を発生する光源と、該光源から出力された照明光が参照鏡及び被計測物に到達する光路を形成する光路形成手段と、前記光源から前記被計測物までの光路長、または、前記光源から前記参照鏡までの光路長を変化させる光路長変化手段と、前記各光路長が互いに等しくなる位置を検出する検出手段とを含み、前記被計測物の三次元形状を計測する三次元形状計測装置において、
   前記照明光の前記参照鏡からの反射光である第１の戻り光及び前記照明光の被計測物からの反射光である第２の戻り光が入射される撮像手段と、
   前記撮像手段から出力される撮像信号に基づいて、前記第１の戻り光と前記第２の戻り光との干渉によって生ずる白色干渉縞の振幅の包絡線が最大値を示す位置を含む概略位置を決定する概略位置決定手段と、
   前記白色干渉縞に含まれる少なくとも二以上の互いに異なる分光スペクトル帯域成分の前記概略位置近傍における干渉縞の位相を算出する位相算出手段と、
   前記位相算出手段によって得られた前記互いに異なる分光スペクトル帯域成分の干渉縞の位相が互いに等しい値をとる位置を求めることによって前記被計測物の表面の変位量を算出する変位算出手段と
   を含むことを特徴とする三次元形状計測装置。
4. 前記概略位置決定手段は、前記白色干渉縞の光強度について、前記光路長変化手段による光路長の変化についての一定間隔でサンプリングを行うとともに、
   第１のサンプリング値より連続した一定個数のサンプリング値についての標準偏差を算出した後、第２のサンプリング値より連続した一定個数のサンプリング値についての標準偏差を算出し、以後、順次標準偏差の算出を行って、
   この標準偏差が最大となるサンプリング値の組を含む範囲を、前記白色干渉縞の振幅の包絡線が最大値を示す位置を含む概略位置として決定する
   ことを特徴とする請求項３記載の三次元形状計測装置。
5. 前記概略位置決定手段は、前記白色干渉縞の光強度について、前記光路長変化手段による光路長の変化についての一定間隔でサンプリングを行い、
   第１のサンプリング値より連続した一定個数ｍのサンプリング値についての標準偏差を算出した後、第〔ｍ＋１〕のサンプリング値より連続した一定個数ｍのサンプリング値についての標準偏差を算出し、次に、第〔２ｍ＋１〕のサンプリング値より連続した一定個数ｍのサンプリング値についての標準偏差を算出し、以後、順次標準偏差の算出を行って、
   この標準偏差が最大となるサンプリング値の組及び隣接するサンプリング値の組を含む範囲内において、第１番目のサンプリング値より連続した一定個数ｍのサンプリング値についての標準偏差を算出した後、第〔ｍ／２＋１〕番目のサンプリング値より連続した一定個数ｍのサンプリング値についての標準偏差を算出し、次に、第〔２ｍ／２＋１〕番目のサンプリング値より連続した一定個数ｍのサンプリング値についての標準偏差を算出し、以後、順次標準偏差の算出を行って、
   この標準偏差が最大となるサンプリング値の組を含む範囲を、前記白色干渉縞の振幅の包絡線が最大値を示す位置を含む概略位置として決定する
   ことを特徴とする請求項３記載の三次元形状計測装置。
6. 前記概略位置決定手段は、前記白色干渉縞の光強度について、前記光路長変化手段による光路長の変化についての一定間隔でサンプリングを行うとともに、
   第１のサンプリング値より連続した一定個数ｍの範囲における最初のサンプリング値と最後のサンプリング値についての差分の絶対値を算出した後、第〔ｍ＋１〕のサンプリング値より連続した一定個数ｍの範囲における最初のサンプリング値と最後のサンプリング値についての差分の絶対値を算出し、次に、第〔２ｍ＋１〕のサンプリング値より連続した一定個数ｍの範囲における最初のサンプリング値と最後のサンプリング値についての差分の絶対値を算出し、以後、順次差分の絶対値の算出を行って、
   この差分の絶対値が最大となるサンプリング値の組を含む範囲を、前記白色干渉縞の振幅の包絡線が最大値を示す位置を含む概略位置として決定する
   ことを特徴とする請求項３記載の三次元形状計測装置。
7. 前記撮像手段は、カラーカメラであって、前記互いに異なる分光スペクトル帯域成分ごとに前記撮像信号を出力することを特徴とする請求項３記載の三次元形状計測装置。
8. 前記撮像手段は、モノクロカメラであり、
   前記モノクロカメラから出力される撮像信号を前記互いに異なる分光スペクトル帯域成分に分配する分光スペクトル帯域成分分配手段を備えたことを特徴とする請求項３記載の三次元形状計測装置。
9. 前記撮像手段は、カラーカメラであって、前記互いに異なる分光スペクトル帯域成分ごとに前記撮像信号を出力することを特徴とする請求項４記載の三次元形状計測装置。
10. 前記撮像手段は、モノクロカメラであり、
    前記モノクロカメラから出力される撮像信号を前記互いに異なる分光スペクトル帯域成分に分配する分光スペクトル帯域成分分配手段を備えたことを特徴とする請求項４記載の三次元形状計測装置。
11. 前記撮像手段は、カラーカメラであって、前記互いに異なる分光スペクトル帯域成分ごとに前記撮像信号を出力することを特徴とする請求項５記載の三次元形状計測装置。
12. 前記撮像手段は、モノクロカメラであり、
    前記モノクロカメラから出力される撮像信号を前記互いに異なる分光スペクトル帯域成分に分配する分光スペクトル帯域成分分配手段を備えたことを特徴とする請求項５記載の三次元形状計測装置。
13. 前記撮像手段は、カラーカメラであって、前記互いに異なる分光スペクトル帯域成分ごとに前記撮像信号を出力することを特徴とする請求項６記載の三次元形状計測装置。
14. 前記撮像手段は、モノクロカメラであり、
    前記モノクロカメラから出力される撮像信号を前記互いに異なる分光スペクトル帯域成分に分配する分光スペクトル帯域成分分配手段を備えたことを特徴とする請求項６記載の三次元形状計測装置。

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